JP5500287B2 - 埋込磁石同期回転電機 - Google Patents
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Description
直流モータは界磁用の永久磁石が固定子に、電機子巻線が回転子に配置される回転電機子形であるが、PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)は永久磁石を回転子に、電機子巻線を固定子に設けた回転界磁形の構成である。
回転子は、けい素鋼板から成る鉄心とその中に配置された永久磁石から成る。
永久磁石の配置から、回転子の表面に永久磁石を固着した表面磁石同期モータ(SPMSM:Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)と回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石同期回モータIPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)に大別される。
図15には4極機の埋込磁石同期回転電機の固定子5と回転子3の横断面図を示したものである。
この回転子3は、回転軸3aに固着した回転子鉄心4に、4極の永久磁石1、2を、そのN極とS極を交互に配置して埋め込んでいる。
回転子3の1極あたりの永久磁石1,2は、回転子鉄心4の半径方向において内外2層に分割して配置する。外周側の永久磁石1と内周側の永久磁石2は、各々両端1a,2aを回転子鉄心4の外周面直下に配置し、回転軸3a側に凹湾曲させて配置すると共に、これら内外層の永久磁石の間には回転子鉄心4にほぼ一定幅の凹湾曲状の間隔を設けて、この間隔部分を回転子鉄心4のq軸成分の磁束通路1−2として機能させている。
固定子5は、所定数のティース6とスロット7を備え、各ティース6間には図示していないが固定子巻線が配置されて構成されている。
この固定子巻線に交流電流を供給することにより回転磁界が発生し、この回転磁界によって回転子3にマグネットトルクTm及びリラクタンストルクTrが作用し、回転子3は回転し回転軸3aを駆動する。
前記従来の埋込磁石同期回転電機は、図16に示すように、一定電流のもとでの発生トルクの中、マグネットトルクは電流の進角0°で最大になるのに対して、リラクタンストルクは進角45°で最大となることから、両者を加算した総合トルクは電流位相が0°〜45°の範囲内で最大値となる。(特許文献1及び非特許文献1第19頁)。
そこで、本発明は、原因となっている両成分トルク波形の間の位相的なずれを縮小または解消する回転子を有する高トルク化可能な埋込磁石同期回転電機を提供するものである。
回転子鉄心の外周の各磁極は、当該永久磁石埋込用長穴に永久磁石を埋込んで回転方向側に誘導子を逆回転方向側に界磁極を形成し、当該磁極の界磁極と逆回転方向側の磁極の誘導子との間に位置する回転子鉄心に、所定の半径方向深さで所定の回転角度に亘って固定子内周との間の磁気的な距離を隔てる円弧状の磁極間隙部を配置するとともに、前記永久磁石埋込用長穴は当該誘導子と当該界磁極の境の表層部から前記磁極間隙部の底部の直下に亘って穿設してなることを特徴とする埋込磁石回転電機。
この回転子の前記構造により、本発明の埋込磁石同期回転電機は、その発生トルク成分、すなわちマグネットトルクとリラクタンストルク両成分の波形間に、従来固定量として介在してきた位相的なずれ角を縮小または解消して、マグネットトルクとリラクタンストルクの両成分トルクの最大値の加算で代表される相加的な高い総合トルクが得られるものである。
本発明の埋込磁石同期回転電機の特性は、図8のベクトル図によって考察することができる。
図8において、界磁極については従来どおりにd−q座標上のd軸に一致させて示している。
これに対して、従来とは異なり新しく、前記d−q座標のq軸から0を除く位相角γだけずらして設定したS軸に誘導子の突極の方向を一致させて図示している。
このように界磁極と誘導子の磁気的方向軸どうしを斜交させた位相関係に置くことは本発明の埋込磁石同期回転電機の本質的な特徴をなす要件であり仮にγ=0として界磁極と誘導子とを直交させるとすれば、それは従来の埋込磁石同期回転電機と同等の特性しか得られないことを意味する。
この誘導子位相角γは数1によって与えられる。
リラクタンストルクTrの数式から明らかなように、本発明による誘導子位相角γはリラクタンストルク波の起点位相なのであり、同時に、この誘導子位相角γは数1の関係に基づいて設計上で、任意に設定可能でもある。そこで、リラクタンストルク波については誘導子位相角γを0°、15°、30°及び45°と段階的に変えた場合について図示しており、誘導子位相角γの増加とともにリラクタンストルク波が左方向へと平行移動していく様子を表している。これに対して、マグネットトルク波の方は縦軸上に頂点が位置する余弦波のままである。
さらに、マグネットトルク波を基準とする観点から見た場合、これにリラクタンス波を加算して得る総合トルク波に対して、誘導子位相角γはどのような影響を及ぼすのかについて詳しく検討してみると、次のようなことが言える。
図11に示す誘導子位相角γ=15°の場合、前記総合トルク波に対する拘束が緩和されて、電流位相θ=0°の点でのリラクタンストルクによる高トルク化は認められるが、後述する場合に比べるとまだ不十分である。従って、高トルク化の観点からは、誘導子位相角γは十分に大きな値に設定すべきであり、誘導子位相角γを15°未満に設定することは推奨できない。
マグネットトルク波は原点(φ=0°)を起点とする正弦波状である。しかし、これにリラクタンストルク波を重ね合わせた総合トルク波は、必ず偏角φ=−γにおいてマグネットトルク波と交差することになり、角γを増せば交差点は左方向にずれていくので、図示のように、複雑な波形へと変形していく。これらの波形を比較すると、従来技術(γ=0°相当)の場合は、総合トルク波は原点に関して点対称である。これに対して、本発明(γ>0°)の場合は、対称形とはならず、角γの
増加とともに非対称性が顕著になる。このことこそが先述の誘導子位相角に固有の作用なのであって、端的に言えば、誘導子位相角は埋込磁石同期回転電機のトルク対電流位相特性に非対称性を付与する。
総合トルク波には偏角φの正・負各領域に極大点が現れる。それら、極大値の大きさ(絶対値)をマグネットトルクの振巾と比べると、φ<0の領域で総合トルクがマグネットトルクよりも大となり得るのはγ=15°の波形例だけで、γが30°や45°では不適合である。これに対して、φ>0の領域では、γが15°、30°、及び45°の全ての例において、明らかに総合トルクがマグネットトルクよりも大となり得て、その条件を満たすφの変域も十分に広角に度っている。要約すると、誘導子位相角の増加に伴う総合トルク波の大きさは、φ<0の領域では両成分トルク間の差の値に近づくのに対して、φ>0の領域では両成分トルクの和の値に近づく。上記の傾向は本発明における総合トルク波の非対称性を量的特性として明示している。また、上記φ>0の領域での総合トルクの増大傾向が本発明の目的とする高トルク化を可能とするための手段として活用されているのは言うまでもない。
本発明の埋込磁石同期回転電機は、先ず、運転中の動作が前掲の第1、及び第2象限の組合せに限られていて、逆回転を要しない一般の産業機械に対して、同期モータとして適している。ポンプ等は好例で、第2象限の動作すなわち制動時には駆動系内の機械的損失分も含めた負荷トルクが制動トルクとして寄与する。また、系が複雑にはなるが、反転機構を介して逆回転を行うような移動体の駆動等にも、モータの逆転が不要な限り、適している。
次に、工作機等の各種加工機に多用される往復動機構への同期モータとしての適用は、加工時の有負荷での送出と軽負荷での原点復帰の組合せ動作が多いが、このような用途に対しても、負荷側の要求するトルク特性に良く合わせこむことで適合させることができる。
さらに、一具体例として、天井走行クレーンの場合について取り上げてみる。
ここで、停止・保持は別置のブレーキによるとして、走行・横行及び昇降の3軸での位置決め操作に対する適否について検討してみると、次のことが言える。
すなわち、走行・横行動作については、それらをモータ単独での正・逆転によって対応しようとすれば、前掲の4象限の全てにわたる動作となって双方向に対して対称なトルク特性が必要となるので本発明を同期モータとして適用は不適である。しかしながら、先述のように、反転機構を併用すればこのような問題は解消する。これに対して、もう一つの昇降動作の方は、反転機構はむしろ不要なのであって、これに本発明を同期モータとして適用すれば上昇時は前掲の第1象限で、下降時は前掲の第4象限での動作に相当するので、先述のφ>0の領域での総合トルクの増大傾向、換言すれば高トルクの効果が現れることになるので、好適である。
このような理由によって本発明の埋込磁石同期回転電機は、いわゆる可逆運転が厳しく要求される用途、例えば位置決め機構等のように加減速や正・逆転を頻繁に繰り返す用途等への適用は推奨できない。しかしながら、これらごく一部を除く大半の用途に対しての、本発明の埋込磁石同期回転電機の有用性についてはまったく疑う余地がない。なお、本発明の埋込磁石同期回転電機は一種の永久磁石界磁方式の発電機としても転用可能なのであって、その場合、前掲の第4象限での発電動作として適用することによって、高トルク化すなわち高出力化が可能となる。
回転子3は、回転子鉄心4の回転方向に沿って異極性の磁極10−1と10−2を交互に配置しこれらおのおの磁極に組み合わせて当該磁極の逆回転方向に隣接して極間隙部31、32を形成配置し、更に当該磁極に対応して回転子鉄心4内に永久磁石埋込用長穴71及び72を穿設し、同穴に界磁極の要素として永久磁石M1,M2を埋め込んである。
前記磁極10−1、10−2の誘導子11、12は、当該磁極の前部即ち回転方向R側に配置し、前記界磁極21、22は、当該誘導子に隣接して当該磁極の後部即ち逆回転方向側に配置してある。
各極間隙部31及び32は、回転子3の所定の半径方向深さで所定の角度δに亘る円弧部を一体的に切欠き形成した開放型である。この極間隙部31及び32が、固定子のティースとの磁気的な距離を大幅に増大させる。
前記永久磁石埋込用長穴72は、1端53を当該磁極10−2の誘導子12から界磁極22への移行部分の外周層内とし、他端54を当該極間隙部31及び32の底部分311、321の近傍層内にしてある。
磁極10−1、10−2の誘導子11、12は、前例同様に、当該磁極の前部に配置し、界磁極21、22は、当該誘導子11、12に隣接し当該磁極の後部に配置してある。
前記極間隙部41及び42は、所定の半径方向深さで所定の角度δに亘って一体に円弧状に空洞形成した全閉型であり、回転子鉄心の外周面に沿った部分はごく薄肉の橋絡部412、422によって塞いである。この極間隙部41及び42が固定子のティースと回転子鉄心4との間の磁気的な距離を大幅に増大させる。
図2中の記号N及びSは挿入し埋め込んだ永久磁石M1、M2の極性を表す。
尚、前記した全閉型の極間隙部は、周方向に複数個に分割配置して強度をより安定させるものとしてもよい。
また、永久磁石埋込用長穴の他端部の位置についても、極間隙部の底部の全域内で任意に定めることが出来るため、回転軸3aの直径を比較的大きく設定することが可能となり、かくして回転子の機械的剛性の強化策として有効であり、しかもより高速回転用に適した回転子となる。
この実施例3は、2極機を超える多極機用の回転子についても同様に適用可能である。
磁極10−1、10−2の誘導子11、12は、前例同様に当該磁極の前部に配置し、界磁極21、22は、当該磁極の後部に当該誘導子11、12と隣接して配置してある。
極間隙部41及び42は、所定の半径方向深さで所定の角度δに亘って隔壁413,423で3等分に分割して円弧状に空洞形成した全閉型であり、回転子鉄心の外周面に沿った部分はごく薄肉の橋絡部412、422によって塞いである。この極間隙部41及び42が固定子のティースとの間を、磁気的な距離を大幅に増大させる。
この実施例4は、2極を超える多極機用の回転子についても同様に適用可能である。
磁極10−1、10−2の誘導子11、12は、前例同様に当該磁極の前部に配置し、界磁極21、22は、当該磁極の後部に誘導子11、12と隣接して配置してある。
極間隙部41及び42各々は、所定の半径方向深さで所定の角度δに亘って隔壁413,423で2分割して円弧状の空洞に形成した全閉型であり、回転子鉄心4の外周面に沿った部分はごく薄肉の橋絡部412、422によって塞いである。この極間隙部41及び42が固定子のティースとの磁気的な距離を大幅に増大させる。
つまり本例の塞隙101、102は、当該界磁極21,22の鉄心の磁路幅をほぼ2等分に分断する幅にするもので、例えば1端111及び112を当該界磁極21,22の鉄心外周をほぼ2等分する点とし、他端121及び122を当該永久磁石埋込用長穴71、72を長手方向にほぼ2等分する点とする所定の幅に形成してある。
磁極10−1〜0−4の誘導子11〜14は、当該磁極の回転方向R側の前部に配置し、界磁極21〜24は、当該磁極の逆回転方向側になる後部に誘導子11〜14と隣接して配置してある。
極間隙部41〜44は、所定の半径方向深さで所定の角度δmに亘って一体に円弧状に空洞形成した全閉型であり、回転子鉄心の外周面に沿った部分はごく薄肉の橋絡部412〜442によって塞いである。これで固定子のティースとの磁気的な距離を大幅に増大させる。
図5中の記号N及びSは挿入し埋め込んだ永久磁石M1、M2の極性を表す。
本発明による埋込磁石同期回転電機の回転子構造は、前例の2極機及び4極機の場合の実施例から明らかなように、6極以上の多極機用の回転子構造に対しても同様に適用することが出来る。
磁極10−1〜10−4の誘導子11〜14は、当該磁極の回転方向R側の前部に配置し、界磁極21〜24は、当該磁極の逆回転方向側になる後部に当該誘導子11〜14と隣接して配置してある。
極間隙部41〜44は、所定の半径方向深さで所定の角度δmに亘って一体に円弧状に空洞形成した全閉型であり、回転子鉄心4の外周面に沿った部分はごく薄肉の橋絡部412、422,432,442によって塞いである。この極間隙部41〜44は、固定子のティースと回転子鉄心4との間の磁気的な距離を大幅に増大させる。
図6中の永久磁石M1、M2の記号N及びSは極性を表す。
円弧状に形成の永久磁石埋込用長穴71〜74は、直線状の長穴と比べて、より多くの磁石を組込むことが可能となるので、小型化、高出力化等の要求に対応していく上で有用である。
尚、前記した全閉型の極間隙部は、前記回転子外周に沿う狭角δmの範囲の鉄心部分の外周部にごく薄肉の隔壁を介して、順次、隣合うように複数個に分割配置してもよい。
磁極10−1〜10−6の誘導子11〜16は、当該磁極の回転方向R側の前部に配置し、界磁極21〜26は、当該磁極の逆回転方向側になる後部に当該誘導子11〜16に隣接して配置してある。
極間隙部41〜46は、所定の半径方向深さで所定の角度δmに亘って一体に円弧状に空洞形成した全閉型であり、回転子鉄心の外周面に沿った部分は前例同様にごく薄肉の橋絡部412、422,432,442,452、462によって塞いである。この極間隙部41〜46が固定子のティースとの磁気的な距離を大幅に増大させる。
永久磁石埋込用長穴81,82,83,84,85,86は、反橋絡部m側の1端51〜56を当該誘導子と界磁極との境部になる表層内とし、永久磁石埋込用長穴91,92,93,94,95,96は、反橋絡部m側の1端61〜66を当該極間隙部41〜46の狭角δmの範囲内の底部411〜461における所望の位置に定めるものであって、本実施例7ではその1例として当該底部411〜461の逆回転方向側になる後端部の直近層内に配置してある。
図7中の記号N及びSは、挿入し埋め込んだ永久磁石M1、M2の極性を表す。
本発明による埋込磁石同期回転電機の回転子構造は、2極機、4極機の他に、8極機以上の多極機用の回転子構造に対しても同様に適用することが出来る。
本例の前記永久磁石埋込用長穴は上述のようにV字状折線上に配置すると直線状の長穴と比べて、円弧状の長穴同様に、より多くの永久磁石を組込むことが可能となるので、小型化、高出力化等の要求に対応していく上で有用である。
この回転子の前記構造により、埋込磁石同期回転電機の発生トルク成分、すなわちマグネットトルクとリラクタンストルク両成分の波形間に、従来固定量として介在してきた位相的なずれ角を縮小または解消することができて、これにより、従来よりもさらに高トルク化に適した埋込磁石同期回転電機を実現することが可能となったなどの優れた効果を有し、埋込磁石同期回転電機の製造メーカー及び埋込磁石同期回転電機を利用する各種産業界に貢献すること多大なものがある。
2:内層用永久磁石
1−2:内外層の永久磁石の間に設けた間隔
3:回転子
3a:回転軸
4:回転子鉄心
5:固定子
6:ティース
7:スロット
11〜16:誘導子
21〜26:界磁極
31、32:開放型の磁極間隙部
41〜46:全閉型の磁極間隙部
71〜74:永久磁石埋込用長穴
71−1、72−1:外層用の永久磁石埋込用長穴
71−2、72−2:内層用の永久磁石埋込用長穴
81〜86:永久磁石埋込用長穴
91〜96:永久磁石埋込用長穴
311、321:開放型による磁極間隙部の底部
411、421,431,441,451,461:全閉型による磁極間隙部の底部
412、422,432,442,452、462:閉鎖用の橋絡部
101、102:塞隙
111、112:塞隙の一端
121、122:塞隙の他端
Claims (4)
- ティースと各ティース間に巻線スロットを備えた固定子鉄心と、回転軸に装着した回転子鉄心に異極性の磁極を交互に配置し、各磁極単位に永久磁石埋込用長穴を穿設し、各永久磁石埋込用長穴に当該磁極に対応する極性にして永久磁石を埋込んだ回転子とを備えた埋込磁石回転電機において、
回転子鉄心の外周の各磁極は、当該永久磁石埋込用長穴に永久磁石を埋込んで回転方向側に誘導子を逆回転方向側に界磁極を形成し、当該磁極の界磁極と逆回転方向側の磁極の誘導子との間に位置する回転子鉄心に、所定の半径方向深さで所定の回転角度に亘って固定子内周との間の磁気的な距離を隔てる円弧状の磁極間隙部を配置するとともに、前記永久磁石埋込用長穴は当該誘導子と当該界磁極の境の表層部から前記磁極間隙部の底部の直下に亘って穿設してなることを特徴とする埋込磁石回転電機。 - 前記磁極間隙部は回転子鉄心の外周部に、一体に叉は分割して円弧状に切欠き形成し又は円弧状の全閉型に空洞形成したことを特徴とする請求項1に記載の埋込磁石回転電機。
- 永久磁石埋込用長穴は、当該回転子磁極の当該誘導子と当該界磁極との境界部分から当該磁極間隙部の底部側に亘って一体に叉は分割して直線状又は回転軸側に折れた折れ線状又は回転軸側に凹湾曲した凹湾曲状に穿設したことを特徴とする請求項1に記載の埋込磁石回転電機。
- 当該界磁極の中央部表層に一端を位置し、他端を磁気的に相応する当該永久磁石埋込用長穴の長手方向中央部に接近位置させて界磁極鉄心の磁路幅をほぼ等分割に分断する塞隙を設けたことを特徴とする請求項1に記載の埋込磁石回転電機。
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